1、第16卷第6期2004年6月強激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.6Jun.,2004文章編號:100124322(2004)0620729204準分子激光光束均勻性的評價指標研究李紅霞,樓祺洪,葉震寰,董景星,魏運榮,凌磊(中國科學院上海光學精密機械研究所,上海201800)摘要:詳細研究了準分子激光光束均勻性的各項評價指標,加工窗口描述了加工任務本身對光束均勻度的要求;能量分數回答了具體加工窗口即均勻度要求下的能量利用率問題;平頂因子則描述了整個光斑能量分布范圍內的均勻性問題。利用激光波面分析儀對不同均勻器所獲得的均勻光束進行評價比較

2、,蠅眼透鏡均勻器能量利用率高,整個光斑內的均勻效果好,但最佳均勻截面的位置動態范圍小;組合棱鏡均勻器均勻截面動態范圍大,但整體均勻效量較差。關鍵詞:準分子激光;光束均勻性;加工窗口;平頂因子中圖分類號:TN24文獻標識碼:A準分子激光作為一種能精確聚焦和控制的紫外光束,由于其波長短、脈沖功率密度高、脈寬窄及弱相干性m,而且等優點,已成為當前光刻裝置的主要光源。準分子激光切削精度非常高,每個光脈沖切削深度為0.2又是冷光源,不會產生熱量,對切削周圍組織不會造成損傷,在醫學領域可以利用準分子激光能夠精確切削組織的特性,用光束重塑角膜曲率達到矯正近視的目的。在這些應用中都要求準分子激光光束強度分布盡

3、量均勻1,2,但不同的應用對光束均勻度的要求及側重點卻存在差異。準分子激光的光場分布不同于普通的單模高斯光場分布,光斑通常呈矩形,縱橫方向光強分布規律不同,在一個方向上可具有平頂分布。盡管準分子激光光場分布的均勻性已經比一般非準分子激光的均勻性要好,但由于激光器在大體積、高電壓、高氣壓狀態下運轉,容易導致放電增益不均勻,而且工作氣體比例的變化對強度分布也有影響3。為此人們已經進行了大量的理論和實驗研究,在光路中添加各式均勻器,如兩級復眼式均勻器4、矩形波導管均勻器5、棱鏡組均勻器等,對光束均勻性有了較大改善。本文將在利用這些均勻器對光束均勻性改善的基礎上,具體討論衡量光束均勻性的各項指標及其適

4、用范圍,并對其中的蠅眼均勻器及棱鏡組均勻器對光束均勻性的改善效果進行比較。1光束均勻性衡量指標不同的加工領域對準分子激光光束均勻度要求及側重點存在差異,既有單純對光束均勻度的要求,也存在光束能量利用率的問題及光斑整體均勻性問題。下面對各項指標及適用范圍作具體討論。1.1加工窗口(processwindow)加工窗口是人們比較常用的一個光束均勻性的衡量指標,即可允許的功率密度起伏變化的正負百分比。不同的應用對加工窗口的要求不同,大多數應用的要求為±10%,即所對應的功率密度變化范圍在81.8%100%之間;對于較低要求的加工窗口控制在±30%即可,如對金屬底層聚合物的刻蝕;而

5、對角膜組織的切削則要求加工窗口控制在±3%,功率密度變化范圍在94.17%100%之間。加工窗口雖然能夠衡量光束均勻性即光強起伏變化,但是卻無法回答給定加工窗口下光束能量的利用率問題。比如能量為1J的光束,加工窗口為±10%范圍內的能量可能僅為400mJ,而另一能量為700mJ的光束,相同加工窗口范圍內的能量可為500mJ。為了解決這一問題,需要另一指標來對這兩束光進行比較。1.2能量分數(energyfraction)準分子激光光束的性能通常用脈沖能量來衡量,而能量分數則描述了光束能量中達到加工窗口要求的能量所占光束總能量的百分比,即光束能量的利用率問題。對同一光束,在不

6、同的加工窗口下所對應的能量分數也不同,圖1為根據不同加工窗口下的能量分數,作出的由加工窗口所決定的閾值能量2能量分數曲線。圖中A曲線對應為理想的具有平頂分布的準分子激光光束。當加工窗口在01之間變化即所對應的閾值能量變收稿日期:2003207215;修訂日期:2003212226基金項目:上海市科技發展基金資助課題(021111000);國家863計劃項目資助課題),女,碩士研究生,主要從事紫外準分子激光的光束均勻性和激光的窄譜線壓縮及相關技術研究;E2mail:li2作者簡介:李紅霞(1978hongxia。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical

7、 Disc Co., Ltd. All rights reserved.730強激光與粒子束第16卷化范圍為10時,能量分數始終保持不變為1。C曲線對應為高斯光束。B曲線對應為實際準分子激光光束。例如,在加工窗口為±10%,對應閾值能量為8118%時,由圖可得三種光束能量分數的比較。通過閾值能量2能量分數曲線,就可以很方便地得到每一加工窗口所對應的能量分數,且可以對同一加工窗口下不同光束的能量利用率進行比較。1.3平頂因子(top2hatfactor)對閾值能量2能量分數曲線下的面積積分,就可以得到一個新的均勻性衡量指標平頂因子。它描述Fig.1Schemeofthevaryingr

8、elationshipbetweenenergyfractionandfluencefraction了整個光斑能量分布范圍內的整體均勻效果。理想的圖1閾值能量2能量分數變化關系曲線具有平頂形狀的光束(圖1曲線A),均勻性最好,平頂因子值為1;高斯光束較差為0.5;準分子激光的平頂因子一般為0.60.7。實際光束平頂因子數值越接近1,說明光束均勻性越好。1.4動態范圍(dynamicrange)在實際應用中,均勻截面并不固定于某一位置,而是有一個變化范圍,在這個范圍內達到均勻性要求即可。平頂因子2均勻截面位置曲線即可反映較為全面的動態變化。以上指標從不同角度對光束均勻性及要求進行了描述,下面就具

9、體光斑利用上述指標進行衡量。2具體光斑指標衡量實驗采用紫外預電離放電泵浦XeCl準分子激光器作為光源,均勻器為蠅眼均勻器(具體指標:通光面積31.5mm×31.5mm,厚度2mm,焦距90mm)和棱鏡組均勻器(梯形棱鏡+普通棱鏡)兩種。利用帶長焦鏡的CCD相機拍攝接收屏上的光斑圖像,并用美國Spiricon公司生產的LBA2PC激光波面分析儀捕捉和處理信號,得到光斑的2D和3D圖如圖24所示。下面利用上述指標對三種光斑均勻性作量化比較。激光波面分析儀對于捕捉并處理得到的光斑圖像,可以處理得到相對能量值與所對應像素數目的柱狀圖。根據公式Fig.2Excimerlaserbeamx&am

10、p;yprofilesthroughthecentroid(a)andthefalsecolor3D2plot(b)withoutthehomogenizer圖2原始光斑通過形心的x&y光強分布曲線(a)和光斑的3D偽色彩圖(b)EfE(Ef)=E=EipEi×Npix,EEL(1)即可得到閾值能量2能量分數曲線如圖5所示。式中:E為每一加工窗口所對應的能量分數;Ep為峰值能量;Ef為由加工窗口所決定的閾值能量;EL為光束總能量;Npix,Ei為與能量Ei所對應的像素數目。由圖5可以分別得到三種光束在不同加工窗口下的能量分數即能量利用率,通過對三種光束能量曲線的比較可以看出蠅

11、眼透鏡均勻器對光束均勻性的改善效果最好,且在同一加工窗口下的能量利用率也最大。利用公式© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第6期李紅霞等:準分子激光光束均勻性的評價指標研究731Fig.3Excimerlaserbeamx&yprofilesthroughthecentroid(a)andthefalsecolor3D2plot(b)behindtheprisms圖3通過棱鏡組合均器后輸出光斑通過形心的x&y光強分布曲線(a)和光斑的3D偽色彩圖(b)Fig.

12、4Excimerlaserbeamx&yprofilesthroughthecentroid(a)andthefalsecolor3D2plot(b)behindtheflyseyehomogenizer圖4通過蠅眼透鏡均勻器后輸出光斑通過形心的x&y光強分布曲線(a)和光斑的3D偽色彩圖(b)E-1pF=E=1EE+EE2Ep式中:F為平頂因子。并通過波面分析儀計算能量曲線下面的面積,即可得到光斑的平頂因子值。其中原始光斑平頂因子值為0.67,經棱鏡組合均勻器和蠅眼透鏡均勻器改善后光斑的平頂因子值分別為0.73及0.90。圖6為利用棱鏡組合均勻器對光束均勻性改善實驗6所得到的

13、均勻截面位置與平頂因子的變化關系圖,即均勻截面的動態范圍。當接收屏在5565mm范圍內移動時,均勻性較好,平頂因子均在0.72以上,動態范圍可達10mm。Fig.5SchemeofthevaryingrelationshipbetweenthecliplevelandtheenergyfractionFig.6Schemeofthevaryingrelationshipbetweenthetop2hatfactorandthescreen2homogeniexdistance圖5閾值能量2能量分數變化關系圖圖6平頂因子隨接收屏到均勻器間距離變化關系示意圖通過以上的計算比較,可以看出,在同一閾值

14、能量要求下,蠅眼透鏡均勻器對光束均勻性進行了改善,能量利用率高,整個光斑內的均勻效果好,但最佳均勻截面的位置動態范圍小,裝調較麻煩且造價昂貴;組合棱鏡均勻器均勻截面動態范圍大,裝調方便,但均勻效果較差,僅適應于對均勻性要求不是很高的情況下。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.732強激光與粒子束第16卷3結論以上所介紹的各項指標描述對象不同,側重點也不同。加工窗口描述了加工任務本身對光束均勻度的要求;能量分數回答了具體加工窗口即均勻度要求下的能量利用率問題;平頂因子則描述了整

15、個光斑能量分布范圍內的均勻性;動態范圍則是具體應用中光束截面位置的變化范圍,對樣品的放置及移動有參考作用。參考文獻:1DohHoonKim,Byung2HoNam,KagHyeonLee,etal.Probebeamscantypeauto2focussystemusingpositionsensingdetectorforsub2halfmicronlithographytoolsA.ProcofSPIEC.1996,2726:876885.2DohHoonKim,KagHyeonLee,JongSooKim,etal.Performanceofsmallfield193nmexposure

16、systemA.ProcofSPIEC.1997,3051:922932.3樓祺洪,霍蕓生,董景星,等.橫流準分子激光器的壽命研究J.光學學報,1987,7(6):481485.(LouQH,HuoYS,DongJX,etal.Lifetimestudyofatransverseflowexcimerlaser.ActaOpticaSinica,1987,7(6):481485)4李呈德,陳濤,左鐵釧.兩級復眼式準分子激光微加工均勻器的設計J.中國激光,1999,26(6):560564.(LiCD,ChengT,ZuoTC.De2signofflyseyehomogenizerforexci

17、merlasermicromachining.ChineseJournalofLasers,1999,26(6):560564)5高鴻奕,樓祺洪,董景星,等.XeCl準分子激光光束均勻器及其應用J.光學學報,1996,16(10):13791382.(GaoHY,LouQH,DongJX,etal.BeamhomogenizerforXeClexcimerlaseranditsapplications.ActaOpticaSinica,1996,16(10):13791382)ResearchonevaluatingnormofexcimerlaserbeamuniformityLIHong2

18、xia,LOUQi2hong,YEZhen2huan,DONGJing2xing,WEIYun2rong,LINGLei(ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,theChineseAcadaemyofSciences,Shanghai201800,China)Abstract:Theevaluatingnormsofexcimerlaserbeamuniformityareanalysedindetail.Theprocesswindowdefinesuniformityrequirementsoftheexcimerlaser,whiletheenergyfractionanswerstheproblemofusefulpercent